LEB 244 Introdução à emergia

LEB 244 Introdução à emergia Prof. Thiago L. Romanelli romanelli@usp.br Depto de Engenharia de Biossistemas 29/04/2019

Howard T. Odum 1924-2002 Ecological modeling Ecological engineering Ecological economics General systems theory

David Scienceman Criador do termos emergia David Slade até 1972 Troca de nome foi experimento para criar um movimento de políticos cientificamente conscientes Título a quem pertencente ao Scientific party seria Sciencemate

Conceitos e Princípios de Emergia Há muitas formas de energia. Solar Eólica Geopotencial Combstíveis Eletricidade Informação...

Conceitos e Princípios de Emergia Formas de energia não são equivalentes... solar = eólica = combustíveis = eletricidade Embora elas possam ser convertidas em calor não se pode dizer que as calorias de uma forma de energia são iguais às calorias de outra forma na sua habilidade em realizar trabalho...

Trabalho pode ser pensado com a energia de um processo de transformação duas ou mais formas/fontes de energia são processadas para disponibilizar um outro tipo de energia

Conceitos e Princípios de Emergia Qualidade de Energia relacionada à concentração flexibilidade facilidade de transporte conversão

Processos Emergia: Eficiência: 10 6 10 6 10 6 10 6 10 6 0,1% 1% 10% 10% 10% 10% Sol Produtores 10 6 10 5 9,9x10 5 9,99x10 5 Joules Consumidores primários Consumidores secundários Consum. terciários 10 3 10 2 10 1 1 Drenos de energia Heat sink

Metodologia Emergia, escrita com m, é definida como a energia disponível (exergia), de um mesmo tipo, necessária para a elaboração de um produto ou serviço. Algumas vezes refere-se a emergia como memória energética. A unidade de emergia é expressa em joules de emergia solar, sej (ODUM, 1996)

Quais as fontes de energia que regem o planeta? Sol Geotérmica Marés

Processos Insumo controle Energia disponivel de baixa qualidade Processo de transformação de energia Menor fluxo de energia de maior qualidade

Metodologia Vistos Juntos Separados pela escala Território e Tamanho dos Centros O trabalho da natureza e da sociedade são transformações de energia A energia da geobiosfera pode ser organizada (hierarquia de energia) Muitos joules de raios solar são necessários para produzir um joule de matéria orgânica, muitos joules de matéria orgânica são necessários para produzir um joule de combustível, e assim por diante. Rede de Energia Fonte de Energia Série de Transformações Potência Emergética Solar = 6 E9 sej/t Potência (J/tempo) Sol Transformidade Solar (sej/j) A energia vai passando de uma forma dispersa e de menor Etapas da Transformação qualidade para uma forma concentrada e de maior qualidade

Metodologia Etapas a) Elaboração do Diagrama Sistêmico; b) Montagem da Tabela de Avaliação Emergética; c) Uso dos indicadores Emergéticos; d) Interpretação dos resultados.

Linguagem energética

Diagrama Corretivo ph Mudas Mão de obra Combustível Fertilizante Maquinário Defensivos Chuva Vento Sol FLORESTA Infra estrutura $ Implantação e condução Colheita Mercado Operações mecanizadas Solo Erosão

Metodologia Nitrogênio da Atmosfera Nutrientes Rocha Subsolo Materiais e Serviços Biodiversidade Regional Chuva Reserva Florestal Serviços ambientais locais Família $ Taxas Preço Serviços ambientais Multas Vento Plantação Pré-processamento Produto Sol Taxas Perdas (erosão, Nutrientes, Contaminação)

Tipos de fluxos Fontes locais não-renováveis F Recursos adquiridos Serviços Fontes Renováveis Locais Sistemas ambientais R N Uso econômico Y Produção Indicadores: Emergia total (Y) = R+N+F Razão de Rendimento Emergético (EYR) = Y/F Razão de Emergia Investida (EIR) = F/(R+N) Razão de Carga Ambiental (ELR) = (F+N)/R

Tabela 1 2 3 4 5 6 Nota Item Dados Unidades Transformidade Emergia solar sej/unidade E15 sej/ano 1. Item 1 xxx,x xxx,x xxx,x 2. Item 2 xxx,x xxx,x xxx,x... n. Item n xxx,x xxx,x xxx,x O. Output xxx,x xxx,x 1 n Em

Tabelas Tabela 3.1 Síntese de emergia para plantações de eucalipto (rotação de 7 anos) Nota Insumo Quantidade Unidade UEV Fluxo de emergia unidade ha -1 sej unidade -1 Por rotação E12 sej ha -1 Por Ano E12 sej ha -1 ano -1 Fontes ambientais 1 Evapotranspiração 3,85E11 J 30576 11775,50 1682,21 2 Erosão 70000 g 7,18E08 25,22 3,60 Entrada 3 Combustível 529,2 l 3,85E12 2038,18 291,17 4 Maquinário 14,8 kg 6,70E12 99,35 14,19 4 Mão de obra 231,4 h 5,89E12 1362,26 194,61 6 Fertilizante 1 260,0 kg 4,63E12 1202,95 171,85 1. UEV para evapotranspiração = 2,91E4 sej J -1 Brown e Bardi (2001) citando Doherty (1995), Evapotranspiração = (7796 mm ha -1 ) * (1E4 L mm -1 ha) * (1 kg L -1 ) * (4,94E3 J kg -1 ). 3. UEV para combustível (ODUM, 1996) = (1,32E8 J galão -1 ) * (1 galão 3,8 L -1 ) * (1,1E5 sej J -1 ) = 3,85E7 sej L -1. 4. UEV para depreciação emergética de maquinário = (6,7E9 sej g -1 ), Brown e Bardi (2001) citando Doherty (1995), Por kg = (6,7E9 sej g -1 ) * (1000 g kg -1 ) = 6,70E12 sej kg -1. 6. UEVs: K 2 O = 2,92E9 sej g -1 K (ODUM, 1996) * 83%K K 2 O -1, P 2 O 5 = 2,99E10 sej g -1 P (ODUM, 1996) * 43,7% P P 2 O 5-1, N = 7,7E9 sej g -1 N (ODUM, 1996), 06-30-10 tem 6% N, 30% P 2 O 5 e 10% K 2 O; e 14-00-15 tem 14% N e 15% K 2 O.

Metodologia Nome das Valor Nota contribuições numérico R: Recursos da natureza renováveis Unidades Intensidade Emergética Fluxo de emergia N: Recursos da natureza não-renováveis M: Materiais da economia S: Serviços da economia F

Indicadores EYR = F Y = F + N + R F ELR = F N R F EIR = N R

Razão de rendimento emergético (EYR) emergy yield ratio EYR = F Y (R + N + F) Expressa a emergia total contida no produto (Y ) em relação aos recursos adquiridos no mercado (F), externos aos limites do sistema. Mede a agregação de recursos em um produto face à contribuição da economia, através dos recursos obtidos no mercado. É um indicador de retorno de energia sobre investimento (EROI). Quanto maior o valor do índice, melhor é o sistema de produção. F

Razão de carga ambiental (ELR) environmental loading ratio ELR = F N R A indica o uso de recursos locais não-renováveis (N) somados aos recursos adquiridos (F) em relação ao uso de recursos renováveis (R). É um indicador do impacto esperado no ecossistema devido à atividade produtiva analisada quantificando a renovabilidade do processo, presente nos fluxos envolvidos. Quanto menor o valor desse índice mais ambientalmente sustentável será o sistema de produção.

Razão de emergia investida (EIR) emergy investment ratio F EIR = N R Expressa a razão entre os insumos externos adquiridos (F) e os insumos endógenos ao sistema, ambos renováveis e não-renováveis (R+N). Estabelece o grau em que o processo está ajustado à economia regional ou a viabilidade de ser uma opção adequada dentre as alternativas. Indica também a eficiência com que os recursos exógenos investidos são utilizados. Quanto menor o valor desse índice mais ambientalmente sustentável será o sistema de produção.

Metodologia I - Recusos da Natureza F F Recursos da Economia R Renováveis N Não Renováveis I = R + N M S M Materiais S Serviços F = M + S N I Y Emergia R Sistema Produtivo Produto E P Energia Produzida Energia Degradada

Metodologia Índices Emergéticos Fórmula Conceito Transformidade Solar Tr = Y/E P Emergia/Energia do recurso Renovabilidade %R = (R/Y)x100 Renováveis / Total Razão de Investimento Emergético Razão de Rendimento Emergético Razão de Carga Ambiental Razão de Intercâmbio de Emergia EIR = F/ I EYR = Y/F ELR =(F+N)/R EER = Y/[($)x(sej/$)] Recursos da economia/recursos da natureza Emergia dos produtos/ Recursos da economia Recursos da economia + Não-renováveis / Renováveis Emergia recebida / Emergia entregue

Metodologia I Recursos da Natureza F F Recursos da Economia R Renováveis N Não Renováveis I = R + N M R M N S R S N M R Porção Renovável dos Materiais M N Porção Não-renovável dos Materiais S R Porção Renovável dos Serviços S N Porção Não-renovável dos Serviços F = M R +M N + S R + S N I N Y Emergia R Sistema Produtivo P Produto E Energia Produzida Considerando as renovabilidades parciais dos fluxos da economia, alterações propostas e aplicadas por Ortega et al (2002). Energia Degradada Índices Emergéticos Renovabilidade* Razão de Carga Ambiental* Fórmula R*= 100x(R+M R +S R )/Y ELR*= (N+M N +S N )/(R+ M R +S R )

Àlgebra emergética

Exemplo Floresta Natural

Scatena et al.(2002)

Scatena et al.(2002)

Scatena et al.(2002)

Exemplo Avaliação de captação de água

Map of the study area showing the water supply alternatives

Alternative 1 Table 9. Eme rgy evaluati on of wate r supplied from t he Tsumeb aquife r and pipeline (flow = 20.0 E6 m 3 / year) Not e It em Dat a Unit s Emergy/ unit Solar Emergy EmDollars* (unit/y r) (sej/ unit) (E18 sej/y r) (E3 $ Em /y r) RENEWABLE (FREE) RESOURCES 1 Groundw ate r 9.40 E+13 J 1.70 E+05 16.4 962.1 PURCHASED AND OPERATIONAL INPUTS 2 Collect or pipes (st eel) 7.30 E+05 kg 1.80 E+12 1.3 76.4 3 Delivery pipeline (GRP) 1.10 E+13 J 6.60 E+04 0.7 42.7 4 Concret e 1.10 E+0 6 kg 1.00 E+1 2 1.1 62.4 5 Elect ricity 2.10 E+1 4 J 1.60 E+0 5 33.6 19 76.5 6 Pumps and machinery 6.10 E+04 kg 6.70 E+12 0.4 24 7 Labor, services & capit al 4.30 E+06 $ 1.70 E+13 73.1 4300 8 Operat ing cost s 7.90 E+05 $ 1.70 E+13 13.4 790 9 Mainte nance cost s 3.00 E+05 $ 1.70 E+13 5.1 300 Purchased subt ot al 126.7 7452.9 ENVIRONMENTAL AND SOCIO-ECONOMIC IMPACTS Loss of regional wildlife 6.00 E+12 J 4.00 E+06 24 1411.8 Loss of t ourism 3.90 E+0 5 $ 1.20 E+1 2 0.47 27.5 Im pacts subt ot al 24.4 7 1439.3 Tot al input s and impacts 152.5 8968.6 * Solar emergy divided by 1.7 E13 sej/19 96 US$ (emergy per dollar rat io for Namibia in 1996).

Alternative 2 Table 8. Eme rgy evaluati on of desalinat ing coast al wate r and pipeline (flow = 17.3 E6 m 3 / year) Not e It em Dat a Unit s Emergy/ unit Solar Emergy EmDollars* (unit/y r) (sej/ unit) (E18 sej/y r) (E3 $ Em /y r) RENEWABLE (FREE) RESOURCES 1 Sea or brackish wate r 2.51 E+1 4 J 7.40 E+03 1.9 109.4 PURCHASED AND OPERATIONAL INPUTS 2 GRP Pipeline 4.25 E+1 3 J 6.60 E+0 4 2.8 16 4.9 3 Concret e 1.71 E+0 6 kg 1.00 E+1 2 1.7 10 0.8 4 Elect ricity 1.02 E+1 5 J 1.60 E+0 5 16 3.7 96 29.2 5 Labor, services & capit al 1.26 E+0 7 $ 1.70 E+13 214.1 1259 1.4 6 Operat ing cost s 4.31 E+0 6 $ 1.70 E+13 73.3 4311.9 7 Mainte nance cost s 8.81 E+0 5 $ 1.70 E+13 15 881.4 Purchased subt ot al 470.6 2767 9.6 ENVIRONMENTAL AND SOCIO-ECONOMIC IMPACTS Rain r equired t o dilute t he brine 2.40 E+1 4 J 7435 1.78 105 Loss of net primary prod. 2.40 E+1 4 J 9.00 E+03 2.16 127.1 Im pacts subt ot al 3.94 232.1 Tot al input s and impacts 476.4 2802 1.1 * Solar emergy divided by 1.7 E13 sej/19 96 US$ (emergy per dollar rat io for Namibia in 1996).

Alternative 3 Table 7: Emergy evaluati on of w at er from t he Kavango and pipeline (flow = 17.3 E6 m 3 / year) Not e It em Dat a Unit s Emergy/ unit Solar Emergy EmDollar s* (unit/y r) (sej/ unit) (E18 sej/y r) (E3 $ Em /y r) RENEWABLE RESOURCE INPUTS 1 Kavango River wate r 8.19 E+13 J 4.80 E+04 4 233.6 PURCHASED AND OPERATIONAL INPUTS 2 GRP pipe 3.16 E+13 J 6.60 E+04 2.1 122.5 3 Concret e 1.40 E+0 6 kg 1.00 E+1 2 1.4 82.4 4 Fuels 7.49 E+1 2 J 6.60 E+0 4 0.5 29.1 5 Elect ricity 2.29 E+1 4 J 1.60 E+0 5 36.6 21 51.9 6 Machinery & equipment 7.32 E+04 kg 6.70 E+12 0.5 28.9 7 Labor, services & capit al 3.97 E+06 $ 1.70 E+13 67.4 3966.2 8 Operat ing cost s 9.81 E+05 $ 1.70 E+13 16.7 981.4 9 Mainte nance cost s 9.63 E+05 $ 1.70 E+13 16.4 962.8 Inp ut subt ot al 145.6 8558.8 ENVIRONMENTAL AND SOCIO-ECONOMIC IMPACTS 10 Net p rimary product ion 2.1-21.0 E14 J 9.00 E+03 1.9-18.8 1106-1106 4 11 Regional wildlife 2.3-23.0 E12 J 4.00 E+06 9.2-92 5412-5411 8 12 Ecot ourism 1.7-17 E5 $ 1.20 E+12 0.2-2.0 117-1165 Im pacts subt ot al 11.3-113 6635-6634 7 Tot al input s and impacts 161-263 1542 7-7513 9 * Solar emergy divided by 1.7 E13 sej/19 96 US$ (emergy per dollar rat io for Namibia in 1996).

Emergy indices help in decision making by providing information outside of traditional economic analysis Table 10. Comparison of emergy indices among the 3 water supply systems Emergy index (a) Best when index: Kavango Desalination Tsumeb aquifer Transformity of water (sej/j) 1.78 E6 5.76 E6 1.53 E6 % Renewable 2.81 0.4 12.71 Emergy Investment Ratio (EIR) 26.09 131.15 7.81 Emergy Yield Ratio (EYR) 1.04 1.01 1.14 Environmental Loading Ratio (ELR) 35.64 252.92 7.87 Emergy Sustainability Index (ESI ) 0.03 0.004 0.14 Emergy Benefit to Purchaser (EBP) 1.45 1.56 1.58 EmDollar per m 3 0.49 1.61 0.43 (a) Indices are defined in Appendix A.

Exemplo inclusão da relação $/sej na análise Avaliação de turismo

Using data from tourism development in Mexico and Papua New Guinea. the concept of carrying capacity is related to intensity of development, environmental support area, and the fit of economic development in local environments and economies.

Waves Rain Food & Liquor Pot able Wat er Fuels Elect ricit y Goods & Mat erials Tide Labor Wind Image Tourist s Beach Assets $ Sunlight Grounds & Landscaping Tourist s $ Tourist Resort Facility

Table 2. Emergy evaluation of tourist resort on New Britain Island, Papua New Guinea Note Item Units Units/Yr. Transformity Solar Emergy (sej/unit) (E15 sej/yr) RENEWA BLE RESOURCES 1 Sunlight J 1.74E+14 1.00E+00 0.2 2 Wind J 1.18E+11 1.50E+03 0.2 3 Wave Energy J 1.53E+11 3.06E+04 4.7 4 Tidal Energy J 2.21E+11 1.68E+04 3.7 5 Rain J 2.41E+11 1.82E+04 4.4 NONRENEWABLE STORAGES 6 Potable water J 2.93E+09 6.66E+05 2.0 Sum of free inputs (sun,wind, and rain omitted) 10.3 PURCHASED INPUTS Construction inputs 7 Wood J 1.64E+09 3.49E+04 0.1 8 Concrete g 1.70E+06 9.26E+07 0.2 9 Steel g 5.10E+04 1.80E+09 0.1 10 Furnishings J 3.16E+09 4.00E+06 12.7 11 Non-renewable s ervices (PNG) $ 2.40E+04 6.50E+12 156.0 Operational inputs 12 Fuel J 2.28E+12 6.60E+04 150.5 13 Electricity J 0.00E+00 2.00E+05 0.0 14 Food J 8.76E+10 2.50E+05 21.9 15 Liquor J 1.10E+10 7.00E+05 7.7 16 Non-renewable s ervices (PNG) $ 1.40E+05 6.50E+12 910.0 Sum of purchas ed inputs 1,259.0 18 Tourists (number) 6.20E+02 3.74E+16 23,188.0

Table 3. Emergy evaluation of four star tourist hotel in Puerto Vallarta, Mexico Note Item Units Units/Yr. Transformity Solar Emergy (sej/unit) (E15 sej/yr) RENEWA BLE RESOURCES 1 Sunlight J 9.14E+13 1.00E+00 0.1 2 Wind J 1.10E+11 1.50E+03 0.2 3 Wave Energy J 1.60E+10 3.06E+04 0.5 4 Tidal Energy J 4.18E+09 1.68E+04 0.1 5 Rain J 9.31E+10 1.82E+04 1.7 NONRENEWABLE STORAGES 6 Potable water J 2.44E+11 6.66E+05 162.4 S um of free inputs (sun,wind,waves omitted) 164.2 PURCHASED INPUTS Construction inputs 7 Concrete g 1.15E+08 9.26E+07 10.6 8 Steel g 2.70E+07 1.80E+09 48.6 9 Furnishings J 5.72E+10 4.00E+06 228.8 10 Non-renewable s ervices $ 1.41E+06 2.60E+12 3666.0 Operational inputs 11 Fuel J 3.90E+12 6.60E+04 257.4 12 Electricity J 6.20E+13 2.00E+05 12400.0 13 Food J 6.29E+11 2.00E+06 1258.0 14 Liquor J 7.93E+10 7.00E+05 55.5 15 Non-renewable s ervices $ 1.74E+06 2.60E+12 4511.0 Sum of purchas ed inputs 22436.0 16 Tourists (number) 5.37E+03 8.50E+15 45636.5

Table 4. Comparative emergy indices for touris t res orts in Papua New Guinea and Mexico Notes Index PNG Mexico Country Resort Country Resort 1 Total Emergy Us e (E18 sej/yr) 1.22E+23 1.31E+18 6.96E+23 2.26E+19 Locally Renewable (E20 s ej/yr) 1.05E+23 8.40E+15 1.39E+23 1.80E+15 Locally Nonrenewable (E20 sej/yr) 1.09E+22 2.00E+15 3.66E+23 1.62E+17 Imported (E20 sej/yr) 5.40E+21 1.30E+18 1.08E+23 2.24E+19 2 Percent Renewable 86.6% 0.6% 20.0% 0.01% 3 Empower density (E11 sej/m 2 *yr -1 ) 2.6 322.0 3.1 11857.0 4 Emergy per capita (E15 sej/person*yr -1 ) 37.7 91.4 8.5 219.1 5 Environmental loading ratio 0.16 155.0 3.4 12534.4 6 Renewable emergy/area (E11 sej/m 2 *yr) 2.3 0.7 7 Support Area required (m 2 ) -- 3.57E+07 -- 9.36E+07

Emergy valuation of internation al trade resulting from money income from tourism...